PFA potporni nosači grijača-koji se koriste za postavljanje grijača u spremnike ili za držanje pomoćne opreme-povremeno podnose trajna mehanička opterećenja na povišenim temperaturama. Na 180 stupnjeva (blizu granice kontinuirane upotrebe PFA od 200 stupnjeva), puknuće od puzanja postaje dominantan način kvara za opterećene nosače. Za nosač opterećen na 5 MPa (uobičajeno za grijač od 10 kg koji visi s nosača poprečnog-presjeka od 50 mm²), realni životni vijek otporan na puzanje je 500–2000 sati, ovisno o stupnju PFA, kristaliničnosti i kvaliteti proizvodnje. To je daleko kraće od uobičajenog životnog vijeka grijača (10 000–30 000 sati). Stoga se PFA nosači ne bi trebali koristiti za trajna opterećenja iznad 2 MPa pri 180 stupnjeva. Za opterećenja iznad 2 MPa koristite metalne nosače s PFA premazom ili zasebne metalne nosače. Dolje navedeni podaci o puzanju pružaju smjernice za sigurno projektiranje.
Mehanizmi puzajućeg pucanja na 180 stupnjeva
Na 180 stupnjeva, PFA je iznad svog staklastog prijelaza (Tg=-15 stupanj), ali ispod svoje točke taljenja (305 stupnjeva). Polimer pokazuje viskoelastično puzanje: pod stalnim opterećenjem kontinuirano se deformira. U primarnoj fazi puzanja (prvih 0-100 sati), deformacija se povećava opadajućom brzinom. U sekundarnom puzanju (100-1000 sati), brzina deformacije je konstantna. U tercijarnom puzanju (iznad 1000 sati), deformacija se ubrzava kako se stvaraju šupljine i efektivni poprečni-presjek se smanjuje, što dovodi do puknuća. Za PFA nosač opterećen na 5 MPa na 180 stupnjeva, tipično vrijeme za postizanje tercijarnog puzanja je 200-500 sati; do rupture dolazi nakon 500-2000 sati. Vijek trajanja do pucanja slijedi Larson-Millerov parametar: LMP=T × (C + log t), gdje je T temperatura (K), t vrijeme do pucanja (sati), a C konstanta materijala (≈20 za PFA). Za određeni LMP, viša temperatura eksponencijalno smanjuje vijek trajanja.
Kristalnost PFA snažno utječe na otpor puzanja. PFA visoke-kristalnosti (55–65%) ima 2–3× duži vijek puzanja od PFA niske-kristalnosti (35–45%). Žarene bravice (nak-kaljenje nakon kalupljenja na 200 stupnjeva tijekom 4 sata) također pokazuju duži život (vidi članak #41). Geometrija nosača je važna: oštri kutovi koncentriraju naprezanje i smanjuju životni vijek za 50–80% u usporedbi s radijusnim dizajnom.
Život puzajućeg puknuća zbog naprezanja i temperature
| Temperatura (stupnjevi) | Naprezanje (MPa) | PFA stupanj | Kristalnost (%) | Životni vijek puknuća (sati, tipično) | Način neuspjeha |
|---|---|---|---|---|---|
| 180 | 2 | Standard | 45 | 8,000–15,000 | Pretjerano skretanje (puzanje) |
| 180 | 3 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Puzanje pukotine |
| 180 | 4 | Standard | 45 | 1,000–2,500 | Ruptura s stvaranjem šupljina |
| 180 | 5 | Standard | 45 | 500–1,500 | Brzo pucanje |
| 180 | 6 | Standard | 45 | 200–500 | Trenutačni otklon, ruptura |
| 180 | 5 | Visoka-kristalnost (žareno) | 60 | 1,200–2,500 | 2× život u odnosu na standard |
| 180 | 5 | Niska-kristalnost (nežareno) | 38 | 300–800 | 50% vijek trajanja u odnosu na standard |
| 160 | 5 | Standard | 45 | 3,000–6,000 | Niža temperatura produljuje vijek trajanja |
| 200 | 3 | Standard | 45 | 500–1,500 | Blizu gornje granice za PFA |
| 150 | 5 | Standard | 45 | 6,000–12,000 | Prihvatljivo za povremena opterećenja |
Preporuke za siguran dizajn
For PFA support brackets at 180°C, the maximum sustained stress should not exceed 2 MPa for long-term service (>5000 sati). Izračunajte naprezanje kao σ=F / A, gdje je F opterećenje (N), a A najmanja površina poprečnog-presjeka nosača (mm²). Za opterećenje od 50 N (≈5 kg), potrebna površina A=F/σ=50 / 2=25 mm². Minimalni je nosač s presjekom-od 5 mm × 5 mm (25 mm²). Za opterećenje od 100 N (10 kg), minimalna površina je 50 mm² (7 mm × 7 mm). Ovo su minimalne veličine; veći nosači pružaju sigurnosnu marginu.
Za opterećenja iznad 2 MPa na 180 stupnjeva koristite metalni nosač (od nehrđajućeg čelika, titana ili Hastelloy) s PFA premazom ili rukavcem kako biste spriječili kemijski napad. Metalni nosač nosi opterećenje; PFA osigurava kemijsku otpornost. Alternativno, poduprite grijač s vrha (zatezanje) umjesto s dna (kompresija) pomoću metalne šipke kroz središte grijača. PFA je jači u kompresiji nego u napetosti; vijek puzanja pri pritisku je 2-3× duži od vijeka puzanja pri istezanju pri istemu naprezanju.
Za postojeće PFA nosače koji rade pod velikim naprezanjem, jednom godišnje pregledajte ima li deformacija. Izmjerite originalne dimenzije nosača i usporedite ih sa sadašnjim. Trajna deformacija veća od 2 mm ili bilo kakva vidljiva pukotina zahtijeva trenutnu zamjenu. Ako se držač deformirao, ali nije napuknuo, može nastaviti funkcionirati, ali sa smanjenim kapacitetom. Za kritične primjene (grijač bi mogao pasti u spremnik), zamijenite deformirane nosače bez obzira na status pucanja.
Primjer polja
Kemijska tvornica koristila je PFA nosače za podupiranje grijača od 15 kg (opterećenje od 150 N) na 180 stupnjeva. Poprečni-presjek nosača bio je 10 mm × 8 mm (80 mm²), dajući σ=150/80=1.9 MPa-unutar sigurnog ograničenja. Nakon 18 mjeseci (≈13 000 sati), nosač je pokazao 3 mm otklona, ali nije bilo pukotina. Grijač je i dalje bio podržan. Nakon 2,5 godine (18 000 sati), otklon je dosegao 6 mm, a grijač je popuštao. Nosač je zamijenjen tijekom planiranog gašenja. Nosač nije otkazao, ali je bio pri kraju svog vijeka trajanja. Tvornica je revidirala svoj dizajn kako bi koristila metalne nosače za buduće instalacije, navodeći potrebu za neodređenim vijekom trajanja.
Zaključak: Ograničite naprezanje PFA nosača na 2 MPa na 180 stupnjeva
Realni vijek trajanja potpornog nosača grijača od puzanja opterećenog na 5 MPa i 180 stupnjeva samo je 500–2000 sati-nedovoljno za većinu industrijskih primjena. Za dugotrajnu-uslugu (5,000+ sati), ograničite naprezanje na 2 MPa. Za opterećenja iznad 2 MPa koristite metalne nosače s PFA premazom ili zasebne metalne nosače. Ako se moraju koristiti PFA nosači, odredite visoku-kristalnost, žareni PFA, polumjer svih kutova i jednom godišnje pregledajte ima li otklona. PFA je izvrstan materijal za kemijsku otpornost, ali loš materijal za trajno{16}}podnošenje opterećenja pri visokim temperaturama. Nemojte tražiti od PFA-a da radi ono što metal treba raditi. Ako ste u nedoumici, koristite metal. Trošak grijača koji padne u spremnik i kratko spoji sa zidom daleko je veći od troška odgovarajućeg metalnog potpornog nosača. Osmislite nosač za opterećenje, a ne za praktičnost rješenja od jednog-materijala.
